你做过空中飞椅吗?刺激的感觉一定特爽。

把游乐场中的“空中飞椅”抽象概括,就是物理学中的一种重要模型:圆锥摆模型。

模型构建:

在倾斜拉力(或支持力)、重力作用下,物体围绕中心某一点做匀速圆周运动。

向心力来源:拉力(支持力)和重力的合力

解题思路:牛顿第二定律和向心力公式相结合。

常见类型

小球绕圆轨道运动相关公式(隐含的物理原理)(1)

拓展类型:火车转弯

小球绕圆轨道运动相关公式(隐含的物理原理)(2)

小球绕圆轨道运动相关公式(隐含的物理原理)(3)

模型示例
  1. 空中飞椅-----圆锥摆

例1 如图5所示,已知绳长为L=20 cm,水平杆长为L′=0.1 m,小球质量m=0.3 kg,整个装置可绕竖直轴转动.g取10 m/s2,问:(结果保留三位有效数字)

小球绕圆轨道运动相关公式(隐含的物理原理)(4)

(1)要使绳子与竖直方向成45°角,试求该装置必须以多大的角速度转动?

(2)此时绳子的张力为多大?

答案 (1)6.44 rad/s (2)4.24 N

小球绕圆轨道运动相关公式(隐含的物理原理)(5)

解题方法总结

(1)确定研究对象、轨迹圆周(含圆心、半径和轨道平面).

(2)受力分析,确定向心力的大小(合成法、正交分解法等).

(3)根据向心力公式列方程,必要时列出其他相关方程.

(4)统一单位,代入数据计算,求出结果或进行讨论.

二、类圆锥摆----飞车走壁

例2.(2019·安徽师大附中高一下学期期末)如图5所示,竖直固定的锥形漏斗内壁是光滑的,内壁上有两个质量相等的小球A和B,在各自不同的水平面内做匀速圆周运动.以下关于A、B两球做圆周运动时的速度(vA、vB)、角速度(ωA、ωB)、加速度(aA、aB)和对内壁的压力(FNA、FNB)的说法正确的是(  )

小球绕圆轨道运动相关公式(隐含的物理原理)(6)

小球绕圆轨道运动相关公式(隐含的物理原理)(7)

三、在圆锥摆----空中盘旋

例3、如图6所示,一只质量为m的老鹰,以速率v在水平面内做半径为R的匀速圆周运动,则空气对老鹰的作用力的大小等于(重力加速度为g)(  )

小球绕圆轨道运动相关公式(隐含的物理原理)(8)

小球绕圆轨道运动相关公式(隐含的物理原理)(9)

四、圆锥摆拓展----火车转弯

小球绕圆轨道运动相关公式(隐含的物理原理)(10)

小球绕圆轨道运动相关公式(隐含的物理原理)(11)

冲关练习

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